复合材料储能飞轮包容环的结构设计

杨敏超

摘要：储能要求的提高使得飞轮转速增加，可能造成飞轮的破损和脱落。本文设计了一种复合材料包容环用于金属材料飞轮转子的加固，防止在转速高到15000转/分钟时出现破损或脱落造成不安全问题。并通过有限元分析得到包容环的周向，轴向和径向应力，为设计复合材料包容环的纤维铺层方向比例提供参考。

关键词飞轮；转速；复合材料；破损

中图分类号THl21

文献标识码A

文章编号2095-6363（2017）04-0028-01

利用高速旋转的飞轮储能是一种具有广泛应用前景的新型储能技术，在需要高能传输和单位质量高能储备的情况下，飞轮储能装置比电化学电池更先进。目前飞轮储能技术已经得到了世界各国的高度重视，并投入大量的人力和財力进行深度研究，尤其是美、英、德、日本等国家投入最大。近年来，储能飞轮以其储能、高功率、无污染、适用广、无噪音、长寿命、维护简单、可实现连续工作等特点。在电动汽车、航空航天及军事领域展示了广阔的前景。

飞轮储能的提高以提高飞轮的转动惯量来实现，但必须在材料不产生破坏和变形的前提下，来增加转速和质量，从而达到提高转动惯量的目的。转速的增加使得飞轮的离心力变大，极易引起轮缘崩裂，不仅造成经济损失，更重要的是会造成人员受伤。本文着重研究了复合材料储能飞轮包容环，用于金属材料飞轮转子的加固，防止在转速高到15000转/分钟出现破损或脱落造成不安全问题。复合材料具有重量轻、强度高、使用寿命长、安全性高等诸多优点，复合材料飞轮包容环采用了高强度缠绕技术，打破了以往转速过高而引起的崩裂的约束。

1.飞轮结构形式描述

飞轮储能器是将电能转换成白转动能或反向转换的装置，飞轮储能器包括芯轴，飞轮和复合材料包容环，包容环主要作用是在金属转子破碎时起包容的作用。飞轮和复合材料包容环之间为过盈装配。飞轮储能器转子结构示意图如图1所示。

2.飞轮包容环受力形式分析

当飞轮包容环以角速度ω旋转时，它在离心惯性力作用下的应力状态是一个广义平面应力问题。由于飞轮几何形状是轴对称的，而且它的受力状态和边界条件也是轴对称的，这样，飞轮的变形、应变、应力具有轴对称性。通过理论推导，可以得到飞轮的应力分量表达式：

3.包容环的有限元建模

因为复合材料包容环为轴对称结构，且受到的载荷为对称载荷，所以只选取结构的1/8来建立有限元模型，如图2所示。

采用的单元为六面体单元，为了更准确的得到分析结果，在其内外环处分别建立一层很薄的不影响结构刚度的面单元，赋予0度铺层的属性。有限元分析结果表明，包容环最大应力发生在内环处，体单元上的应力为平均应力，不能真实的反映最内层的应力状态，而内环建立的面单元，与体单元变形协调，可以得到最内层的较真实的周向应力状态。

但是面单元没有径向属性，不能反映结构径向的应变水平。实际中由于泊松比的作用，径向应力对轴向的应变影响较大，而对周向应变影响可以忽略，所以面单元得到的周向应力是准确的，但是轴向应力和径向应力只能通过体单元得到。经计算得到如下有限元结果，见图3～图5。其中径向应力为129MPa，周向应力526MPa，轴向应力32.7MPa。

通过Tsai Wu准则来校核周向（0度方向）和轴向（90度方向）的材料是否失效，径向（厚度方向）直接与材料厚度方向的许用值比较。得到Ms为0.08，满足强度要求。

4.结论

1）通过分析可知，本文设计的复合材料储能飞轮包容环，用于金属材料飞轮转子的加固，防止飞轮在高速转动出现破损或脱落是可行的。

2）根据有限元计算结果，包容环的周向载荷最大，在复合材料包容环设计时要适当在周向方向增加0。纤维方向的比例。

3）高比强度比刚度的复合材料已经逐步应用到飞轮本体，提高飞轮的储能能力，本文可以为复合材料飞轮本体的计算提供参考。